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   "source": [
    "在本部分中，我们将介绍低延迟应用程序，以及使用C++进行低延迟应用程序开发的正确方法。我们将讨论不同业务领域中一些常见低延迟应用程序的技术细节。我们还会探讨与低延迟应用程序开发相关的一些内容，以及C++的概念和技术如何融入其中。此外，我们将编写一些C++代码，从电子交易的角度实现之前介绍的不同低延迟组件。\n",
    "\n",
    "本部分包含以下章节：\n",
    "\n",
    "- 第1章，介绍使用C++进行低延迟应用程序开发\n",
    "- 第2章，使用C++设计一些常见的低延迟应用程序\n",
    "- 第3章，从低延迟应用程序的角度探索C++概念\n",
    "- 第4章，构建低延迟应用程序的C++基础模块"
   ]
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    "# 第1章 C++低延迟应用开发入门"
   ]
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    "> 如果你给一个人看一段代码，你将折磨他一天；如果你教一个人写一段代码，你将折磨他一辈子。\n",
    "\n",
    "在本章，让我们通过介绍低延迟应用开启这段学习之旅。在这一章中，我们将首先了解对延迟敏感和延迟关键型应用的行为及需求。我们会明白应用延迟对那些依赖快速且严格响应时间的企业有着巨大的商业影响。\n",
    "\n",
    "我们还将探讨为什么C++是低延迟应用开发中最受青睐的编程语言之一。本书的很大一部分内容，是用C++从零开始构建一个完整的低延迟电子交易系统。因此，本章将帮助你理解使用C++的动机，以及是什么让它成为低延迟应用领域最受欢迎的语言。\n",
    "\n",
    "我们也会介绍不同商业领域中一些重要的低延迟应用。这样做的部分目的是让你了解到，在不同的商业领域，对于那些对响应时间敏感的用例来说，延迟确实至关重要。另一部分目的是找出这些应用在行为、期望、设计和实现方面的相似之处。尽管它们解决的是不同的商业问题，但这些应用的低延迟需求通常是基于相似的技术设计和实现原则构建的。\n",
    "\n",
    "在本章中，我们将涵盖以下主题：\n",
    "\n",
    "- 理解对延迟敏感应用的需求\n",
    "- 理解为什么C++是首选编程语言\n",
    "- 介绍一些重要的低延迟应用\n",
    "\n",
    "为了有效地构建超低延迟应用，我们首先应该理解本书后续会用到的术语和概念。我们还应该明白为什么C++成为了大多数低延迟应用开发的不二之选。时刻牢记低延迟对业务的影响也很重要，因为我们构建低延迟应用的目的是为了提升企业的盈利。本章将讨论这些内容，以便在深入学习本书后续的技术细节之前，为你打下良好的基础。"
   ]
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    "## 理解对延迟敏感应用的需求/Understanding requirements for latency-sensitive applications"
   ]
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   "source": [
    "在本节中，我们将讨论一些概念，这些概念有助于理解哪些指标对延迟敏感应用至关重要。首先，让我们明确延迟的定义以及什么是延迟敏感应用。\n",
    "\n",
    "**延迟**被定义为从任务开始到任务完成之间的时间延迟。根据定义，任何处理或工作都会产生一定的开销或延迟——也就是说，除非系统完全不工作，否则没有系统的延迟为零。这里重要的一点是，有些系统的延迟可能只有极小的几毫秒，而且对额外一微秒的延迟容忍度可能很低。\n",
    "\n",
    "低延迟应用是指那些尽可能快速地执行任务并做出响应或返回结果的应用。关键在于，反应延迟是这类应用的一个重要标准，较高的延迟可能会降低性能，甚至使应用完全无法使用。另一方面，当这类应用能够达到预期的低延迟时，它们可以在竞争中脱颖而出，以最高速度运行，实现最大吞吐量，或者提高生产力并改善用户体验——具体效果取决于应用本身和业务场景。\n",
    "\n",
    "低延迟既可以被看作是一个定量的术语，也可以被看作是一个定性的术语。定量方面很容易理解，但定性方面可能并不那么明显。根据不同的上下文，架构师和开发人员在某些情况下可能愿意接受较高的延迟，但在另一些情况下，可能连额外一微秒的延迟都无法接受。例如，如果用户刷新网页或等待视频加载，几秒钟的延迟是可以接受的。然而，一旦视频加载完成并开始播放，再出现几秒钟的渲染或显示延迟就会对用户体验产生负面影响。一个极端的例子是高速金融交易系统，在这个系统中，几微秒的延迟就可能导致一家公司盈利或完全失去竞争力。\n",
    "\n",
    "在接下来的小节中，我们将介绍一些适用于低延迟应用的术语。充分理解这些术语非常重要，因为在后续关于低延迟应用的讨论中，我们会经常提到这些概念。接下来要讨论的概念和术语用于区分不同的延迟敏感应用、测量延迟的方法以及这些应用的需求。"
   ]
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    "### 理解延迟敏感型与延迟关键型应用"
   ]
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   "source": [
    "“延迟敏感应用（latency-sensitive applications）”和“延迟关键型应用（latency-critical applications）”这两个术语之间存在着微妙但重要的区别。延迟敏感应用是指随着性能延迟的降低，其商业影响或盈利能力会有所提升的应用。也就是说，在较高的性能延迟下，该系统可能仍然能够运行并可能盈利，但如果延迟降低，其盈利能力会显著提高。这类应用的例子包括操作系统（OSes）、网页浏览器、数据库等等。\n",
    "\n",
    "另一方面，延迟关键型应用是指如果性能延迟高于某个阈值就会完全失效的应用。关键在于，延迟敏感应用在较高延迟下可能只是部分盈利能力受损，而延迟关键型应用在足够高的延迟下则会完全无法运行。这类应用的例子有交通控制系统、金融交易系统、自动驾驶汽车以及一些医疗设备。"
   ]
  },
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    "### 测量延迟"
   ]
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   "source": [
    "在本节中，我们将讨论测量延迟的不同方法。这些方法的真正区别在于如何定义处理任务的开始时间和结束时间。另一种区分方法是看测量的单位——时间是最常用的单位，但在某些情况下，如果涉及到指令级别的测量，CPU时钟周期也可以使用。接下来让我们看看不同的测量方法，但首先，我们给出一个通用的服务器 - 客户端系统示意图，这里暂不深入探讨具体的用例或传输协议。这是因为测量延迟的方法具有通用性，适用于许多具有这种服务器 - 客户端架构的不同应用。"
   ]
  },
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   "source": [
    "<img src=\"./images/1.1.png\" alt=\"1.1\" style=\"zoom:50%;\" />\n",
    "\n",
    "带有不同跳点之间时间戳的一般客户端–服务器系统\n",
    "- $T_1$：服务器将数据包的第一个字节放到网络上线的时间。\n",
    "- $T_2$：客户端从网络上线读取数据包第一个字节的时间。\n",
    "- $T_3$：客户端将包含响应的数据包放到网络上线的时间。\n",
    "- $T_4$：服务器从网络上线读取包含响应的数据包第一个字节的时间。"
   ]
  },
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   "source": [
    "| 指标                                               | 定义与适用场景                                               | 计算方法（结合图中 $T_1$–$T_4$）                             | 说明                                                         |\n",
    "| -------------------------------------------------- | ------------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------------------ |\n",
    "| 单程网络延迟（Outbound / Inbound One-way Latency） | 从一端把数据包的第一个字节放上线到另一端读到该字节的时间。常用于分析链路方向性差异。 | *服务器 → 客户端*：$\\text{Latency}_{\\text{srv→cli}} = T_2 - T_1$  <br>*客户端 → 服务器*：$\\text{Latency}_{\\text{cli→srv}} = T_4 - T_3$ | 若两端时钟不同步，需要使用同步时钟或时间戳回传方法才能精确测量。 |\n",
    "| 首字节时间（TTFB, Time To First Byte）             | 发送方发送请求/响应的第一个字节到接收方读到第一个字节的时间。用于衡量链路或对端的响应速度，对流式传输尤为关键。 | *从服务器视角（等待客户端回应）*：$\\text{TTFB}_{\\text{cli→srv}} = T_4 - T_3$  <br>*从客户端视角（等待服务器回应）*：$\\text{TTFB}_{\\text{srv→cli}} = T_2 - T_1$ | 若应用层启用了缓冲或慢启动，会直接拉长 TTFB。                |\n",
    "| 往返时间（RTT, Round-trip Time）                   | 数据包从一方发送到另一方并收到回应所经历的总时间。常用于网络健康度评估和拥塞控制调优。 | $\\text{RTT} = T_4 - T_1 = (T_2 - T_1) + (T_3 - T_2) + (T_4 - T_3)$ | 三部分分别代表：出站链路延迟、对端处理时间、回程链路延迟。RTT 既受网络影响，也受对端处理速度影响。 |\n",
    "| 从报价到交易时间（TTT, Tick-to-Trade Time）        | 在高频/量化交易中，从接收到市场数据（tick）到发出订单（trade）的时间。衡量策略/系统决策链的速度。 | $\\text{TTT} = T_3 - T_2$                                     | TTT 是 RTT 的“中间段”，由市场数据解码、策略计算、风控检查、订单生成等环节组成。 |\n",
    "| CPU 时钟周期（CPU Clock Period）                   | CPU 两次时钟上升沿之间的最小工作单元时间；可用于换算指令或事件的处理时间。 | 时钟周期：$t_{\\text{clk}} = \\frac{1}{f_{\\text{CPU}}}$；若某过程耗费 $C$ 个周期，则时间 $t = C \\times t_{\\text{clk}}$。 | 例如 3.2 GHz CPU：$t_{\\text{clk}} \\approx 0.3125$ ns。结合周期计数器（如 TSC）可推算程序段延迟。 |"
   ]
  },
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    "我们展示这个示意图是因为在接下来的几个小节中，我们将定义并理解从服务器到客户端再返回服务器的往返路径中不同跳数之间的延迟。"
   ]
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   "source": [
    "#### 首字节时间\n",
    "\n",
    "首字节时间（Time to first byte）是指从发送方发送请求（或响应）的第一个字节开始，到接收方接收到第一个字节为止所经过的时间。这通常（但并非绝对）适用于对延迟敏感的数据传输操作的网络链路或系统。在图1.1中，首字节时间是T4和T3之间的差值。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 往返时间\n",
    "\n",
    "往返时间（Round-trip time，RTT）是指一个数据包从一个进程传输到另一个进程，再加上响应数据包返回原始进程所花费的时间总和。同样，这通常（但并非绝对）用于衡量服务器和客户端进程之间来回的网络流量，但也可以用于一般的两个进程之间的通信。\n",
    "\n",
    "默认情况下，RTT包括服务器进程读取、处理并响应用户发送的请求所花费的时间——也就是说，RTT通常包含服务器处理时间。在电子交易的场景中，真正的RTT延迟基于三个部分：\n",
    "\n",
    "- 第一，信息从交易所到达参与者所需的时间\n",
    "- 第二，执行算法分析信息并做出决策所需的时间\n",
    "- 最后，决策到达交易所并由匹配引擎处理所需的时间\n",
    "\n",
    "我们将在本书最后一节“分析和提高性能”中进一步讨论这个问题。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 从报价到交易时间\n",
    "\n",
    "从报价到交易时间（Tick-to-trade，TTT）与RTT类似，是电子交易系统中最常用的术语之一。TTT被定义为从一个数据包（通常是市场数据包）首次到达参与者的基础设施（交易服务器），到参与者完成对该数据包的处理并向交易所以外发送数据包（订单请求）的时间。因此，TTT包括交易基础设施读取数据包、处理它、计算交易信号、生成相应的订单请求并将其发送出去所花费的时间。将数据包发送出去通常意味着向网络套接字写入数据。我们将在本书最后一节“分析和提高性能”中再次讨论这个主题，并进行更深入的探讨。在图1.1中，TTT是T3和T2之间的差值。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### CPU时钟周期\n",
    "\n",
    "CPU时钟周期基本上是CPU处理器能够完成的最小工作增量。实际上，它们是驱动CPU处理器的振荡器两次脉冲之间的时间量。测量CPU时钟周期通常用于在指令级别测量延迟——也就是说，在处理器的极低级别进行测量。C++既是一种低级语言，也是一种高级语言；它让你可以根据需要接近硬件，同时也提供了类、模板等高级抽象。但一般来说，C++开发人员不会花太多时间处理极低级别或可能的汇编代码。这意味着编译后的机器代码可能与C++开发人员预期的不完全一样。此外，根据编译器版本、处理器架构等因素的不同，可能会有更多的差异来源。因此，对于对性能极为敏感的低延迟代码，工程师通常会测量执行了多少条指令以及执行这些指令需要多少个CPU时钟周期。这种级别的优化通常是与内核级优化并列的最高级别优化。\n",
    "\n",
    "现在我们已经了解了在不同应用中测量延迟的一些不同方法，在下一节中，我们将看看一些延迟汇总指标，以及它们在不同场景下的重要性。"
   ]
  },
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    "### 区分不同的延迟指标"
   ]
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   "source": [
    "特定延迟指标相对于其他指标的相对重要性取决于应用程序和业务本身。\n",
    "\n",
    "例如，像自动驾驶汽车软件系统这样对延迟要求极高的应用程序，比起平均延迟，它更关注峰值延迟。低延迟的电子交易系统通常更在意平均延迟和较小的延迟方差，而非峰值延迟。由于应用程序的性质和用户需求，视频流和播放应用程序一般会优先考虑高吞吐量，而非更低的延迟方差。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 吞吐量与延迟\n",
    "\n",
    "在研究这些指标之前，我们首先需要清楚地理解 “吞吐量（throughput）” 和 “延迟（latency）” 这两个术语之间的区别。它们非常相似，常被混用，但实际上不应如此。**吞吐量**指的是在特定时间段内完成的工作量，而**延迟**是指单个任务完成的速度有多快。为了提高吞吐量，通常的做法是引入并行处理，并增加计算、内存和网络资源。请注意，虽然单个任务的处理速度可能不会尽可能快，但总体而言，经过一段时间后会完成更多任务。这是因为在并行处理时，每个单独的任务处理时间可能比低延迟设置下更长，但并行性提高了一组任务的整体吞吐量。另一方面，延迟是针对每个单独任务从开始到结束进行测量的，即使总体执行的任务数量较少。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 平均延迟\n",
    "\n",
    "平均延迟基本上是系统预期的平均响应时间。它就是所有延迟测量值的平均值。这个指标包含了较大的异常值，所以对于性能延迟范围较大的系统来说，它可能是一个不太准确的指标。"
   ]
  },
  {
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   "source": [
    "#### 中位数延迟\n",
    "\n",
    "中位数延迟通常是衡量系统预期响应时间的更好指标。由于它是延迟测量值的中位数，所以排除了较大异常值的影响。因此，有时它比平均延迟指标更受青睐。"
   ]
  },
  {
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   "source": [
    "#### 峰值延迟\n",
    "\n",
    "对于那些单个性能异常值可能对系统造成严重影响的系统来说，峰值延迟是一个重要指标。较大的峰值延迟值也会显著影响系统的平均延迟指标。"
   ]
  },
  {
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   "source": [
    "#### 延迟方差\n",
    "\n",
    "对于那些要求延迟尽可能具有确定性的系统，性能延迟的实际方差是一个重要指标。在预期延迟相当可预测的情况下，这一点尤为重要。对于延迟方差较低的系统，平均延迟、中位数延迟和峰值延迟预计都非常接近。"
   ]
  },
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   "source": [
    "### 对延迟敏感型应用程序的要求"
   ]
  },
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   "source": [
    "在本节中，我们将正式描述延迟敏感型应用程序的行为，以及这些应用程序预期遵循的性能特征。显然，延迟敏感型应用程序需要低延迟性能，但在这里，我们将尝试探讨 “低延迟” 这个术语的细微差别，并讨论一些不同的看待方式。"
   ]
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   "source": [
    "#### 正确性和稳健性\n",
    "\n",
    "当我们想到延迟敏感型应用程序时，通常会认为低延迟是这类应用程序最重要的方面。但实际上，这类应用程序的一个重要要求是正确性，这里指的是极高水平的稳健性和容错能力。直观地看，这个观点完全合理；这些应用程序要想成功就需要极低的延迟，这意味着它们也需要有非常高的吞吐量，需要处理大量的输入并产生大量的输出。因此，系统需要达到接近100% 的正确性，并且要非常稳健，这样应用程序才能在其业务领域取得成功。此外，随着应用程序在生命周期中的增长和变化，正确性和稳健性要求也需要得到保持。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 平均低延迟\n",
    "\n",
    "这是我们考虑延迟敏感型应用程序时最明显的要求。为了使应用程序或业务整体取得成功，预期的反应或处理延迟需要尽可能低。在这里，我们关注平均和中位数性能延迟，并希望它们尽可能低。从设计角度来看，这意味着系统不能有太多的异常值或极高的性能延迟峰值。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 峰值延迟上限\n",
    "\n",
    "我们使用 “峰值延迟上限（capped peak latency）” 这个术语来表示应用程序可能遇到的最大延迟需要有一个明确的上限。这种要求对所有延迟敏感型应用程序都很重要，对延迟关键型应用程序尤为重要。但即使在一般情况下，少数情况下出现极高性能延迟的应用程序通常也会破坏系统的性能。这实际上意味着应用程序需要在低延迟期间内处理任何输入、场景或事件序列。当然，处理非常罕见和特定场景的性能可能比最常见情况要高得多，但关键是它不能是无限制的或不可接受的。"
   ]
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   "source": [
    "#### 可预测的延迟——低延迟方差\n",
    "\n",
    "有些应用程序更希望预期的性能延迟是可预测的，即使这意味着如果平均延迟指标比可能的情况稍高一些，也要做出一定的牺牲。这实际上意味着这类应用程序会确保对于各种不同的输入或事件，预期的性能延迟方差尽可能小。实现零延迟方差是不可能的，但可以在数据结构、算法、代码实现和设置方面做出一些选择，尽可能地将其最小化。"
   ]
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   "source": [
    "#### 高吞吐量\n",
    "\n",
    "如前所述，低延迟和吞吐量相关但并不相同。因此，一些需要尽可能高吞吐量的应用程序在设计和实现上可能会有所不同，以实现吞吐量最大化。关键在于，最大化吞吐量可能会以牺牲平均性能延迟或增加峰值延迟为代价。\n",
    "\n",
    "在本节中，我们介绍了适用于低延迟应用程序性能的概念，以及这些指标对业务的影响。在本书后面讨论我们构建的应用程序的性能时，会用到这些概念。接下来，我们将进一步探讨可用于低延迟应用程序开发的编程语言。我们将讨论支持低延迟应用程序的语言的特点，并理解为什么在开发和优化延迟敏感型应用程序方面，C++ 会名列前茅。"
   ]
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    "## 理解为什么C++是首选编程语言"
   ]
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   "source": [
    "在开发低延迟应用程序时，有几种高级语言可供选择，如Java、Scala、Go和C++。在本节中，我们将讨论为什么C++是低延迟应用程序中最受欢迎的语言之一。我们将探讨C++语言的几个特性，这些特性支持构建大型代码库所需的高级语言结构。C++的强大之处在于，它还提供了与C语言类似的底层访问能力，以支持高度的控制和优化。"
   ]
  },
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   "source": [
    "### 编译型语言\n",
    "\n",
    "C++是一种编译型语言，而非解释型语言。编译型语言是指将源代码翻译成可在特定架构上运行的机器码二进制文件的编程语言。C、C++、Erlang、Haskell、Rust和Go都是编译型语言的例子。与编译型语言相对的是解释型语言。解释型语言的不同之处在于，程序由解释器运行，解释器逐行读取源代码并执行每个命令。Ruby、Python和JavaScript是解释型语言的一些例子。\n",
    "\n",
    "解释型语言本质上比编译型语言慢，因为与编译型语言在编译时将代码翻译成机器指令不同，解释型语言是在运行时将代码解释成机器指令。不过，随着即时编译技术的发展，解释型语言的速度差距已经没有那么大了。对于编译型语言，代码已经针对目标硬件预先构建好了，因此在运行时无需额外的解释步骤。由于C++是编译型语言，它赋予开发者对硬件的很多控制权。这意味着有能力的开发者可以优化诸如内存管理、CPU使用、缓存性能等方面。此外，由于编译型语言在编译时就被转换为针对特定硬件的机器代码，所以可以在很大程度上进行优化。因此，一般来说编译型语言，尤其是C++，执行速度更快、效率更高。"
   ]
  },
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   "source": [
    "### 更接近硬件——低级语言\n",
    "\n",
    "与其他流行的编程语言（如Python、Java等）相比，C++是低级语言，因此它与硬件极为接近。当软件与运行它的目标硬件紧密耦合，甚至在需要底层支持的情况下，这一点尤其有用。与硬件极为接近还意味着用C++构建系统具有显著的速度优势。特别是在像高频交易（HFT）这样的低延迟应用程序中，几微秒的差异都可能产生巨大影响，C++通常是行业内公认的黄金标准。\n",
    "\n",
    "我们将讨论一个例子，说明与硬件更接近是如何帮助C++相比Java等其他语言提升性能的。C/C++中的指针是内存中对象的实际地址。因此，软件可以直接访问内存和内存中的对象，无需额外的抽象，而这些抽象会降低速度。不过，这也意味着应用程序开发者通常必须显式地管理对象的创建、所有权、销毁和生命周期，而不能像在Python或Java中那样依赖编程语言来管理这些事情。C++接近硬件的一个极端例子是，它可以直接从C++语句中调用汇编指令——我们将在后面的章节中看到这样的示例。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 资源的确定性使用\n",
    "\n",
    "对于低延迟应用程序来说，高效地使用资源至关重要。嵌入式应用程序（也常用于实时应用场景）在时间和内存资源方面尤其有限。在像Java和Python这类依赖自动垃圾回收的语言中，存在不确定性因素，也就是说，垃圾回收器可能会不可预测地导致性能出现较大延迟。此外，对于内存非常有限的系统，像C和C++这样的低级语言可以执行一些特殊操作，比如通过指针将数据放置在内存的自定义段或地址中。在C和C++这类语言中，程序员负责显式地创建、管理和释放内存资源，从而实现对资源的确定性和高效使用。\n"
   ]
  },
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   "source": [
    "### 速度与高性能\n",
    "\n",
    "正如我们之前讨论过的，C++比大多数其他编程语言速度更快。它还提供出色的并发和多线程支持。显然，在开发对延迟敏感甚至延迟关键的低延迟应用程序时，这是另一个显著优势。在负载繁重的服务器相关应用程序中，如Web服务器、应用服务器、数据库服务器、交易服务器等，也常常会有这样的需求。\n",
    "\n",
    "C++的另一个优势在于其编译时优化能力。C和C++支持宏、预处理指令、`constexpr`说明符以及模板元编程等特性。这些特性使我们能够将大部分处理工作从运行时转移到编译时。基本上，这意味着在构建机器码二进制文件时，通过将大量处理工作放在编译步骤中，我们可以最大限度地减少关键代码路径在运行时的工作量。在后面构建完整的电子交易系统的章节中，我们将深入讨论这些特性，届时它们的优势将一目了然。"
   ]
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   "source": [
    "### 语言结构和特性\n",
    "\n",
    "C++语言本身是灵活性和丰富特性的完美结合。它为开发者提供了很大的自由度，开发者可以利用这一点对应用程序进行底层优化。同时，它也提供了许多高级抽象，可用于构建非常庞大、功能丰富、通用且可扩展的应用程序，并且在需要时仍能保持极低的延迟。在本节中，我们将探讨一些C++特有的语言特性，这些特性使其在底层控制和高级抽象方面独具优势。"
   ]
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   "source": [
    "#### 可移植性\n",
    "\n",
    "首先，C++具有高度的可移植性，可以构建能够针对多种不同操作系统、平台、CPU架构等进行编译的应用程序。由于它不需要因平台而异的运行时解释器，所以所需做的就是在编译时构建正确的二进制文件，这相对简单，并且最终部署的二进制文件可以在任何平台上运行。此外，我们已经讨论过的一些其他特性（比如能够在低内存和性能较弱的CPU架构上运行，并且无需垃圾回收），使其比一些其他高级语言更具可移植性。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 编译器优化\n",
    "\n",
    "我们已经讨论过C++是一种编译型语言，这使得它天生比解释型语言速度更快，因为它不会产生额外的运行时开销。由于开发者的完整源代码会被编译成最终的可执行二进制文件，编译器有机会对所有对象和代码路径进行全面分析。这就使得在编译时进行高度优化成为可能。现代编译器与现代硬件紧密协作，生成经过惊人优化的机器码。关键在于，开发者可以专注于解决业务问题，假设C++开发者能力足够，编译后的程序在无需开发者投入大量时间和精力的情况下，仍能进行高度优化。由于C++还允许直接内联汇编代码，这为开发者提供了更大的机会与编译器协作，生成高度优化的可执行文件。"
   ]
  },
  {
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   "metadata": {},
   "source": [
    "#### 静态类型\n",
    "\n",
    "在编程语言的类型系统方面，有两种选择——静态类型语言和动态类型语言。静态类型语言在编译过程中对数据类型（整数、浮点数、双精度数、结构体和类）以及这些类型之间的交互进行检查。动态类型语言则在运行时进行这些类型检查。静态类型语言的例子有C++和Java，动态类型语言的例子有Python、Perl和JavaScript。\n",
    "\n",
    "静态类型语言的一大优势在于，由于所有类型检查都在编译时完成，这使我们有机会在程序运行之前发现并消除许多错误。显然，仅靠类型检查无法发现所有可能的错误，但我们这里想强调的是，静态类型语言在编译时查找与类型相关的错误和缺陷方面表现得明显更好。对于本质上高度依赖数值计算的低延迟应用程序来说，尤其如此。\n",
    "\n",
    "静态类型语言的另一个巨大优势，特别是对于低延迟应用程序而言，是由于类型检查在编译时完成，编译器有额外的机会在编译时优化类型和类型交互。实际上，编译型语言速度快很多的一个重要原因就在于静态与动态类型检查系统的差异。这也是像Python这样的动态类型语言，在创建数组和矩阵时，像NumPy这样的高性能库需要指定类型的一个重要原因。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 多种编程范式\n",
    "\n",
    "与其他一些语言不同，C++并不强制开发者遵循特定的编程范式。它支持多种不同的编程范式，如单体式、过程式、面向对象编程（OOP，Object-Oriented Programming）、泛型编程等。这使得它适用于广泛的应用场景，因为它赋予开发者灵活性，让他们能够以实现最大优化和最低延迟的方式设计程序，而不是将某种编程范式强加于应用程序。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 库\n",
    "\n",
    "C++自带了庞大的C和C++库，为以下任务提供了大量的数据结构、算法和抽象：\n",
    "\n",
    "- 网络编程\n",
    "- 动态内存管理\n",
    "- 数值运算\n",
    "- 错误和异常处理\n",
    "- 字符串操作\n",
    "- 常用算法\n",
    "- 输入/输出（I/O）操作，包括文件操作\n",
    "- 多线程支持\n",
    "\n",
    "此外，庞大的C++开发者社区构建并开源了许多库；在接下来的小节中，我们将讨论一些最受欢迎的库。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 标准模板库\n",
    "\n",
    "标准模板库（STL，Standard Template Library）是一个非常受欢迎且广泛使用的模板化头文件库，包含数据结构、容器、这些容器的迭代器和分配器，以及用于排序、搜索、容器算法等任务的算法。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### Boost库\n",
    "\n",
    "Boost是一个大型C++库，支持多线程、网络操作、图像处理、正则表达式（regex）、线性代数、单元测试等。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### Asio库\n",
    "\n",
    "Asio（异步输入/输出，Asynchronous Input/Output）是另一个知名且广泛使用的库，有两个版本：非Boost版本和作为Boost库一部分的版本。它支持多线程并发，用于实现和使用异步I/O模型，并且可移植到所有主流平台。\n"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### GNU科学库\n",
    "\n",
    "GNU科学库（GSL，GNU Scientific Library）支持广泛的数学概念和运算，如复数、矩阵和微积分，并管理其他函数。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 活动模板库\n",
    "\n",
    "活动模板库（ATL，Active Template Library）是一个模板密集型的C++库，用于帮助编写组件对象模型（COM，Component Object Model）程序。它取代了之前的Microsoft基础类库（MFC，Microsoft Foundation Classes）并对其进行了改进。它由微软开发，是开源的，并且大量使用了C++一个重要的低延迟特性——奇异递归模板模式（CRTP，Curiously Recurring Template Pattern），在本书中我们也将深入探讨并大量使用这一特性。它支持COM的多种特性，如双重接口、ActiveX控件、连接点、分离接口、COM枚举器接口等。"
   ]
  },
  {
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   "source": [
    "#### Eigen库\n",
    "\n",
    "Eigen是一个功能强大的用于数学和科学应用的C++库。它包含线性代数函数、数值方法和求解器、复数等数值类型、几何相关的特性和操作等。"
   ]
  },
  {
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   "source": [
    "#### LAPACK库\n",
    "\n",
    "线性代数包（LAPACK，Linear Algebra Package）是另一个大型且极其强大的C++库，专门用于线性代数、线性方程以及支持大型矩阵的相关例程。它实现了许多功能，如求解线性方程组、最小二乘法、特征值计算、奇异值分解（SVD，Singular Value Decomposition）等。"
   ]
  },
  {
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   "source": [
    "#### OpenCV库\n",
    "\n",
    "开源计算机视觉库（OpenCV，Open Source Computer Vision）是计算机图形和视觉相关应用中最知名的C++库之一。它也有Java和Python版本，提供了许多用于面部和物体识别、3D模型、机器学习、深度学习等的算法。\n"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### mlpack库\n",
    "\n",
    "mlpack是一个超快的、仅包含头文件的C++库，适用于各种机器学习模型以及与之相关的数学运算。它还支持Go、Julia、R和Python等其他语言。"
   ]
  },
  {
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   "source": [
    "#### QT库\n",
    "\n",
    "QT是目前用C++构建跨平台图形程序时最受欢迎的库。它可在Windows、Linux、macOS甚至Android和嵌入式系统等平台上运行。它是开源的，用于构建图形用户界面（GUI，Graphical User Interface）小部件。\n"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### Crypto++库\n",
    "\n",
    "Crypto++是一个免费的开源C++库，支持密码学相关的算法、操作和实用工具。它包含许多加密算法、随机数生成器、分组密码、函数、公钥操作、秘密共享等，可在Linux、Windows、macOS、iOS和Android等多个平台上使用。"
   ]
  },
  {
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   "source": [
    "#### 适合大型项目\n",
    "\n",
    "在上一节中，我们讨论了C++的设计和众多特性，这些使其非常适合低延迟应用程序开发。C++的另一个特点是，由于它为开发者提供了灵活性，并允许构建各种高级抽象，实际上它非常适合大型实际项目。出于这些原因，像编译器、云处理和存储系统、操作系统这类大型项目都是用C++编写的。我们将深入探讨这些以及许多其他试图在低延迟性能、丰富功能和不同业务场景之间取得平衡的应用程序，通常情况下，C++是开发这类系统的完美选择。"
   ]
  },
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   "source": [
    "### 成熟且庞大的社区支持\n",
    "\n",
    "C编程语言最初创建于1972年，随后C++（最初被称为“带类的C”）于1983年诞生。C++是一门非常成熟的语言，广泛应用于许多不同业务领域的各种应用程序中。一些例子包括Unix操作系统、Oracle MySQL、Linux内核、Microsoft Office和Microsoft Visual Studio——这些都是用C++编写的。C++已经存在了40年，这意味着大多数软件问题都已被遇到，并且相应的解决方案也已被设计和实现。C++也非常受欢迎，是大多数计算机科学学位课程的一部分，此外，还有大量的开发者工具、第三方组件、开源项目、库、手册、教程、书籍等都围绕着它。关键是，有大量的文档、示例和社区支持为新的C++开发者和C++项目提供帮助。"
   ]
  },
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   "source": [
    "### 持续积极发展的语言\n",
    "\n",
    "尽管C++已有40年历史，但它仍在持续积极发展。自1985年C++第一个商业版本发布以来，C++标准和语言本身经历了多次改进和增强。按时间顺序，已经发布了C++ 98、C++ 03、C++ 0X、C++ 11、C++ 14、C++ 17和C++ 20，目前C++ 23正在开发中。每个版本都带来了改进和新特性。所以，C++是一门强大的语言，并且随着时间不断发展，持续增加现代特性。下面的图表展示了C++多年来的发展历程："
   ]
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    "<img src=\"./images/1.2.png\" alt=\"1.2\" style=\"zoom:50%;\" />"
   ]
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   "source": [
    "鉴于C++编程语言已经相当成熟，具有超快的速度、高级抽象与底层硬件访问和控制的完美结合、庞大的知识库、开发者社区以及最佳实践、库和工具，C++显然是低延迟应用程序开发的首选语言。\n",
    "\n",
    "在本节中，我们探讨了选择C++编程语言进行低延迟应用程序开发的原因。我们讨论了它的各种特性、功能、库以及社区支持，这些都使其非常适合这类应用程序。C++深深融入到大多数对性能有严格要求的应用程序中也就不足为奇了。在下一节中，我们将研究不同业务领域的许多不同低延迟应用程序，目的是了解这些应用程序的共性。"
   ]
  },
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   "source": [
    "## 介绍一些重要的低延迟应用"
   ]
  },
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   "source": [
    "在本节中，我们将探索不同业务领域的一些常见低延迟应用，以便熟悉各类对延迟敏感的应用，以及延迟在其性能中所起的重要作用。此外，对这些应用的讨论将揭示它们在本质和设计上的一些相似之处。"
   ]
  },
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   "source": [
    "### 低级低延迟应用\n",
    "\n",
    "首先，我们从那些被认为是极为低级的应用开始，这意味着它们与硬件非常接近。请注意，所有低延迟应用至少有一部分属于低级应用，因为从定义上讲，这是实现低延迟性能的方式。然而，这些应用在整个程序中，有很大一部分主要处理低级细节；接下来我们就来讨论这些应用。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 电信\n",
    "\n",
    "我们已经讨论过，C++是速度最快的编程语言之一。它被广泛用于构建电话交换机、路由器、互联网设备、太空探测器，以及电信基础设施的各种其他部分。这些应用需要处理大量的并发连接，并促进它们之间的通信。这些应用需要快速且高效地执行这些任务，这使它们成为低延迟应用的一个很好的例子。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 嵌入式系统\n",
    "\n",
    "与其他高级编程语言相比，C++更接近硬件，因此它被用于对延迟敏感的嵌入式系统。这类系统的一些例子包括医疗领域使用的机器、手术工具、智能手表等等。C++通常是诸如核磁共振成像（MRI）机器、实验室检测系统以及患者信息管理系统等医疗应用的首选语言。此外，还有使用C++对医疗数据进行建模、运行研究模拟等用例。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 编译器\n",
    "\n",
    "有趣的是，各种编程语言的编译器都使用C和C++来构建自身的编译器。原因同样是C和C++属于低级语言，更接近硬件，能够高效地构建这些编译器。编译器应用本身能够在很大程度上优化编程语言的代码，并生成低延迟的机器代码。"
   ]
  },
  {
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   "source": [
    "#### 操作系统\n",
    "\n",
    "从微软Windows到苹果macOS，再到Linux本身，所有主流操作系统都是用C++构建的——这又是一个低延迟应用的例子，C++作为低级语言的特性使其成为理想之选。操作系统极其庞大且复杂。除此之外，它们必须具备低延迟和高性能，才能成为具有竞争力的现代操作系统。\n",
    "\n",
    "例如，Linux通常是许多高负载服务器以及为低延迟应用设计的服务器的首选操作系统，因此操作系统本身需要具备非常高的性能。除了传统操作系统，C和C++还被大量用于构建移动操作系统，如iOS、安卓和Windows Phone的内核。总之，操作系统需要在管理所有系统和硬件资源方面极其快速且高效。使用C++开发操作系统的开发者可以利用该语言的特性构建超低延迟的操作系统。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 云/分布式系统\n",
    "\n",
    "开发和使用云及分布式存储与处理系统的机构对延迟的要求非常低。因此，它们在很大程度上依赖于像C++这样的编程语言。分布式存储系统必须支持非常快速和高效的文件系统操作，所以需要接近硬件。此外，分布式处理通常意味着高度的并发性，依赖低延迟的多线程库，以及高负载容忍度和可扩展性优化要求。"
   ]
  },
  {
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   "source": [
    "#### 数据库\n",
    "\n",
    "数据库是另一个需要低延迟、高并发和高并行性的应用示例。数据库也是许多不同业务领域中众多应用的关键组件。Postgres、MySQL和MongoDB（目前是最受欢迎的数据库系统）都是用C和C++编写的——这再次证明了为什么C++是低延迟应用的首选语言。C++在设计和构建数据库以优化存储效率方面也非常理想。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 飞行软件和交通管制\n",
    "\n",
    "商用飞机和军用飞机的飞行软件属于对延迟要求极高的应用类别。在这里，代码不仅要遵循非常严格的准则，具备极高的稳健性并经过充分测试，而且应用还需要可预测地在严格的延迟阈值内对事件做出响应和反应。\n",
    "\n",
    "交通管制软件依赖许多传感器，这些传感器需要监测车辆的速度、位置和流量，并将数据传输给中央软件。然后，软件利用这些信息来控制交通标志、地图和交通信号灯。显然，对于这样的实时应用，需要具备低延迟特性，并且能够快速高效地处理大量数据。"
   ]
  },
  {
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   "source": [
    "### 高级低延迟应用\n",
    "\n",
    "在本小节中，我们将讨论许多人可能认为的稍微高级一些的低延迟应用。这些是人们在尝试解决业务问题时通常会想到的应用；然而，需要记住的是，这些应用仍然必须实施和使用低级优化技术，以提供所需的性能。"
   ]
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   "source": [
    "#### 图形和视频游戏应用\n",
    "\n",
    "图形应用需要超快的渲染性能，这使其成为低延迟应用的又一个例子。图形软件采用计算机视觉、图像处理等技术，这通常涉及对大量大型矩阵进行许多快速且高效的矩阵运算。在视频游戏的图形渲染方面，对低延迟性能的要求更为严格，因为这些是交互式应用，速度和响应性对用户体验至关重要。如今，视频游戏通常会在多个平台上发布，以覆盖更广泛的目标受众。这意味着这些应用或其精简版本需要在低端设备上运行，而这些设备可能没有太多的计算和内存资源。总体而言，视频游戏包含许多资源密集型操作，如渲染图形、同时处理多个玩家、快速响应用户输入等等。C++非常适合所有这些应用，并且已被用于创建许多知名游戏，如《反恐精英》《星际争霸》和《魔兽争霸》，以及游戏引擎，如虚幻引擎（Unreal Engine）。C++也很适合不同的游戏平台，如Windows个人电脑、任天堂Switch、Xbox和PlayStation。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 增强现实和虚拟现实应用\n",
    "\n",
    "增强现实（AR，Augmented Reality）和虚拟现实（VR，Virtual Reality）都是对现实生活环境进行增强或创建全新虚拟环境的技术。AR通过在我们的实时视野中添加数字元素来增强环境，而VR则创建一个全新的模拟环境。因此，这些应用将图形渲染和视频游戏应用提升到了一个全新的水平。\n",
    "\n",
    "AR和VR技术在许多不同的业务场景中都有应用，如设计与施工、维护与修理、培训与教育、医疗保健、零售与营销，甚至在技术领域本身。AR和VR应用与视频游戏应用有相似的要求，需要实时处理来自各种来源的大量数据，同时无缝流畅地处理用户交互。这些应用面临的技术挑战包括处理有限的处理能力和可用内存、可能有限的移动带宽，以及保持低延迟和实时性能以不影响用户体验。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 浏览器\n",
    "\n",
    "网络浏览器往往比它们看起来复杂得多。浏览器中有渲染引擎，对低延迟和高效处理有着较高要求。此外，浏览器还经常与数据库交互，并包含交互式渲染代码，这样用户就无需长时间等待内容更新或交互式内容的响应。鉴于浏览器对低延迟的要求，C++成为这类应用的首选语言也就不足为奇了。事实上，一些最受欢迎的网络浏览器（如谷歌Chrome、Mozilla Firefox、Safari、Opera等）都大量使用了C++。"
   ]
  },
  {
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   "source": [
    "#### 搜索引擎\n",
    "\n",
    "搜索引擎是另一个对低延迟以及高效的数据结构、算法和代码库有要求的应用场景。像谷歌这样的现代搜索引擎，会运用互联网爬虫技术、索引基础设施、网页排名算法以及包括机器学习在内的其他复杂算法。谷歌的搜索引擎依靠C++以极低延迟和高效的方式满足所有这些需求。"
   ]
  },
  {
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   "source": [
    "#### 库\n",
    "\n",
    "许多高级库通常有严格的性能要求，其本身就可被视为低延迟应用，而且它们往往是更大的低延迟应用和业务中的关键组件。这些库涵盖不同领域，包括网络编程、数据结构、更快速的算法、数据库、多线程、数学库（例如机器学习相关的库）等等。这类库需要极低的延迟和高性能的处理，比如涉及大量矩阵运算的计算，其中许多矩阵的规模也可能非常大。\n",
    "\n",
    "显然，在这类应用中性能至关重要，这也是C++经常被大量使用的另一个领域。尽管像TensorFlow这样的许多库在Python中都能使用，但实际上，其核心的机器学习数学运算在底层是用C++实现的，以此来支持在海量数据集上的机器学习方法。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 银行和金融应用\n",
    "\n",
    "银行应用是另一类低延迟应用，每天需要处理数百万笔交易，要求低延迟、高并发和高可靠性。大型银行拥有数百万客户和数亿笔交易，所有这些交易都需要准确、快速地执行，并且能够扩展以应对客户负载，进而处理数据库和服务器的负载。基于前面讨论的原因，C++自然成为许多这类银行应用的选择。\n",
    "\n",
    "在金融建模、电子交易系统和交易策略等应用中，低延迟比其他任何领域都更为关键。C++的速度和可确定性的性能，使其成为处理数十亿市场更新、发送数百万笔订单以及在交易所进行交易的理想选择，尤其是在高频交易（HFT）方面。由于市场变化非常迅速，交易应用需要快速获取准确的数据，以极快的速度执行交易。系统中的高延迟可能会导致损失，严重影响交易利润，甚至更糟。在研发方面，对多个交易所的众多交易工具进行模拟，也需要大规模的低延迟分布式处理，以便快速、高效地完成。定量开发、研究和风险分析库也用C++编写，因为它们需要尽可能快地处理大量数据。其中一个很好的例子是定价和风险库，它们计算期权产品的公平交易价格，并通过运行大量模拟来评估期权风险，因为其搜索空间非常庞大。"
   ]
  },
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   "source": [
    "#### 手机应用\n",
    "\n",
    "现代手机应用功能丰富。此外，它们还必须在硬件资源非常有限的平台上运行。这就使得这些应用的实现需要极低的延迟，并且在使用有限资源时要做到高效，这一点变得更加重要。然而，这些应用仍需对用户交互做出极快的响应，可能还需要处理后端连接，并在移动设备上渲染高质量的图形。像安卓（Android）和Windows操作系统这样的移动平台、谷歌Chrome和Firefox这样的浏览器，以及YouTube这样的应用，都大量使用了C++。\n"
   ]
  },
  {
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   "source": [
    "### 物联网和机器对机器应用\n",
    "\n",
    "物联网（Internet of Things，IoT）和机器对机器（machine-to-machine，M2M）应用基于设备之间的连接，实现自动收集、存储和交换数据。总体而言，虽然物联网和机器对机器在本质上相似，但在网络、可扩展性、互操作性以及人机交互等方面存在一些差异。\n",
    "\n",
    "物联网是一个宽泛的术语，指的是将不同的物理设备连接在一起。物联网设备通常是嵌入在其他大型设备中的执行器和传感器，如智能恒温器、冰箱、门铃、汽车、智能手表、电视和医疗设备。这些设备在计算资源、电力需求和可用内存资源都有限的平台上运行。\n",
    "\n",
    "机器对机器是一种通信方式，多台机器在无需人工监督或交互的情况下，通过有线或无线连接相互交互。这里的关键是，机器对机器通信不一定需要互联网连接。所以物联网是机器对机器的一个子集，而机器对机器是一个更广泛的基于机器对机器通信的系统范畴。机器对机器技术应用于不同领域，如安全、跟踪、自动化、制造和设施管理。\n",
    "\n",
    "我们之前已经讨论过这些应用，在此再总结一下，物联网和机器对机器技术应用于电信、医疗保健、制药、汽车和航空航天工业、零售和物流以及供应链管理、制造业和军事卫星数据分析系统等领域。\n",
    "\n",
    "本节介绍了低延迟应用蓬勃发展的不同业务领域和应用场景，在某些情况下，低延迟应用对相关业务来说是必不可少的。我们希望你能理解，低延迟应用在许多不同领域都有应用，尽管这可能并不那么显而易见。此外，我们还想说明，即使这些应用旨在解决不同的业务问题，但它们有很多相似之处。"
   ]
  },
  {
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   "source": [
    "## 总结\n",
    "\n",
    "在本章中，我们介绍了低延迟应用。首先，我们定义了对延迟敏感和对延迟关键的应用，以及不同的延迟度量方式。然后讨论了在低延迟应用中重要的不同指标，以及其他确定低延迟应用需求的考虑因素。\n",
    "\n",
    "在本章的一个部分，我们探讨了为什么C++在不同业务领域的低延迟应用中最常被选用。具体来说，我们讨论了C++语言本身的特性，以及该语言的灵活性和底层特性，这些使得C++非常适合低延迟应用。\n",
    "\n",
    "最后，我们研究了不同业务领域中许多低延迟应用的示例，以及它们的共同之处。讨论这些的目的在于，尽管业务场景不同，但这些应用有很多共同的需求和特点。同样，C++适合（即便不是全部，也适合大多数）不同业务领域的这些低延迟应用。\n",
    "\n",
    "在下一章中，我们将更详细地讨论一些最受欢迎的低延迟应用。在本书中，我们将以低延迟电子交易为例，来理解和应用C++低延迟技术。不过在此之前，我们还将探索其他低延迟应用，如实况视频流、实时离线和在线视频游戏应用以及物联网应用等。"
   ]
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 "metadata": {
  "kernelspec": {
   "display_name": "C++17",
   "language": "C++17",
   "name": "xcpp17"
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  "language_info": {
   "name": "C++17"
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 "nbformat_minor": 2
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